شکل پروفیل چرخ قطار و دلیل مخروطی بودن آن
چرخ قطارها برخلاف چرخ‌های معمولی که در خودروها استفاده می‌شوند، دارای شکلی خاص و مهندسی‌شده هستند. یکی از ویژگی‌های مهم این چرخ‌ها، مخروطی بودن سطح تماس با ریل است. این طراحی خاص نقش بسیار مهمی در پایداری حرکت قطار، کاهش اصطکاک، و عملکرد ایمن آن دارد.
۱. پروفیل چرخ چیست؟
پروفیل چرخ قطار، مقطع عرضی از شکل سطح تماس چرخ با ریل است. این پروفیل به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که چرخ بتواند به‌درستی بر روی ریل حرکت کند، از خط خارج نشود و همچنین در پیچ‌ها و تغییر مسیرها به‌خوبی عمل کند.
پروفیل استاندارد چرخ شامل سه بخش اصلی است:
قسمت مخروطی (Tapered tread): سطح اصلی تماس با ریل که دارای شیب حدود 1:20 است.
پهنه تخت (flange root): بخش بین سطح مخروطی و لبه.
لبه فلنج (Flange): برجستگی کناری برای جلوگیری از خروج چرخ از ریل، مخصوصاً در پیچ‌ها.
۲. چرا سطح چرخ‌ها مخروطی است؟
سطح تماس چرخ قطارها معمولاً به‌صورت مخروطی طراحی می‌شود، به این معنی که قطر چرخ از سمت داخل به بیرون کمی افزایش می‌یابد. این ویژگی به دلایل زیر بسیار مهم و کاربردی است:
الف) هدایت خودکار در پیچ‌ها
وقتی قطار وارد یک پیچ می‌شود، چرخ‌ها روی ریل‌های منحنی حرکت می‌کنند. اگر سطح چرخ صاف بود، هر دو چرخ مجبور بودند با یک سرعت و قطر یکسان بچرخند، در حالی که در پیچ، چرخ بیرونی باید مسیر بیشتری را طی کند. مخروطی بودن چرخ باعث می‌شود که چرخ بیرونی (که با لبه بزرگ‌تر در تماس است) شعاع بیشتری داشته باشد، در نتیجه فاصله بیشتری را با یک دور چرخش طی می‌کند. این تفاوت در شعاع چرخش، به‌طور طبیعی باعث هدایت قطار در پیچ می‌شود بدون اینکه نیازی به سیستم‌های فرمان مکانیکی باشد.
ب) کاهش سایش چرخ و ریل
اگر چرخ‌ها سطح کاملاً تخت داشتند، در مسیر مستقیم یا منحنی دچار لغزش می‌شدند که این باعث افزایش اصطکاک و سایش می‌شد. اما با وجود سطح مخروطی، تماس چرخ با ریل هموارتر و پایدارتر است، بنابراین سایش چرخ و ریل کاهش می‌یابد و طول عمر آن‌ها افزایش پیدا می‌کند.
پ) حفظ تعادل و بازگشت به مرکز
در صورت جابجایی قطار به یک طرف، شکل مخروطی چرخ باعث می‌شود که چرخ سمت متمایل به ریل داخلی، روی شعاع کوچک‌تر و چرخ دیگر روی شعاع بزرگ‌تر حرکت کند. این اختلاف شعاع باعث ایجاد یک نیروی برگشت‌دهنده می‌شود که قطار را دوباره به مرکز مسیر بازمی‌گرداند. این پدیده باعث پایداری قطار در مسیر مستقیم می‌شود.
۳. فلنج چرخ و نقش آن
در حالی که سطح مخروطی چرخ‌ها بیشتر کار هدایت و تعادل را انجام می‌دهد، لبه فلنج تنها زمانی وارد عمل می‌شود که قطار بیش از حد از مرکز مسیر منحرف شود. در واقع فلنج نقش ایمنی دارد و از خروج قطار از ریل جلوگیری می‌کند، اما در شرایط عادی تماس کمی با ریل دارد.
جمع‌بندی
طراحی مخروطی پروفیل چرخ قطار یکی از شاهکارهای مهندسی حمل‌ونقل ریلی است که به سادگی، بدون نیاز به مکانیزم‌های پیچیده، مشکلات مربوط به هدایت، تعادل و اصطکاک را حل کرده است. این طراحی باعث می‌شود قطارها بتوانند با سرعت بالا، ایمنی بالا و کمترین میزان سایش روی ریل‌ها حرکت کنند.